ХІМІОСТАТ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ІСТОРІЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Хемостатіческое цей пристрій або пристрій , що використовується для культивування клітин і мікроорганізмів. Його також називають біореактором і він має здатність експериментально відтворювати водні середовища, такі як озера, осадові або очисні ставки, серед інших.

Зазвичай його описують як контейнер (розмір буде залежати від того, чи застосовується промисловий чи лабораторний) з входом, щоб потрапити стерильний матеріал, і вихідним отвором, через який вийде матеріал, отриманий в результаті процесу, які, як правило, є поживними речовинами. відходи, стерильний матеріал, мікроорганізми серед інших.

Схема хіміостату. Знято та відредаговано з: CGraham2332.

Він був відкритий і представлений незалежно і майже одночасно вченими Жак Монодом, Аароном Новіком і Лео Сілард в 1950 році. Монод працював один і називав його бактогеном, а Новік і Шилард працювали разом і називали його хіміостатом, ім'ям якого існує і донині. .

Особливості хіміостату

Хіміостат характеризується постійним додаванням середовища, що містить єдину поживну речовину, яка обмежує ріст і одночасно видаляє частину культури, наприклад, надлишок продукції, метаболіти та інші речовини. Це видалення постійно замінюється новим матеріалом, завдяки чому досягається стабільний баланс.

За цих умов швидкість, з якою розвивається культура мікроорганізмів, дорівнює швидкості її розведення. Це є ключовим порівняно з іншими методами вирощування, оскільки стабільний стан можна досягти у постійному та визначеному середовищі.

Ще одна важлива особливість полягає в тому, що за допомогою хіміостату оператор може контролювати фізичні, хімічні та біологічні змінні, такі як об'єм особин у культурі, розчинений кисень, кількість поживних речовин, pH тощо.

Принцип методу

Метод складається з популяції мікроорганізмів, яка зростає з початку аналогічно, як у розривних або партійних культур (найпростіша рідка культура). Коли кількість населення зростає, необхідно одночасно вилучати об'єм культури, подібний до доданої, незалежно від того, була використана вилучена культура чи ні.

Таким чином, у хіміостаті проводять розведення за допомогою безперервного додавання свіжого середовища та виведення культури, як описано в попередньому пункті. Одне поживне речовина відповідає за обмеження росту контейнера, а решта присутня в надлишку.

Це єдине обмежує ріст поживна речовина заздалегідь визначається людиною, яка розробляє експеримент, воно може бути будь-яким поживним речовиною, і в багатьох випадках це буде залежати від виду культури.

Історія

Партійні культури мікроорганізмів датуються століттями (заварювання пива та інших напоїв). Однак суцільні культури - це щось порівняно сучасніше. Деякі мікробіологи приписують початки безперервного культивування відомому російському мікробіологу Сергію Виноградському.

Виноградський вивчав ріст сульфоредуктивних бактерій у пристрої власної конструкції (колона Виноградського). Під час навчання він подавав краплі сірководню в колону як їжу для цих бактерій.

Якщо говорити про безперервне вирощування, то в обов'язковому порядку слід говорити про трьох персонажів: Жак Монод, Аарон Новік та Лео Шилард. Монод був відомим біологом та лауреатом Нобелівської премії в 1965 році.

Цей дослідник (Монод), будучи частиною Інституту Пастера, розробив багато тестів, обчислень та аналізів між 1931 і 1950 роками. За цей час він створив математичну модель росту мікроорганізмів, яку згодом назвали рівнянням Монода.

У 1950 році на основі рівняння, яке носить його ім'я, він розробив модель апарату, яка дозволяла культурі мікроорганізмів безперервно називати її бактогеном.

З іншого боку, вчені Новік (фізик) та Шилард (хімік) зустрілися під час роботи над проектом Манхеттена (атомна бомба) у 1943 році; через роки вони почали виявляти інтерес до росту бактерій, і в 1947 році вони співпрацювали разом і скористалися цим.

Після декількох тестів та аналізів Новік і Шілард, спираючись на розрахунки Монода (рівняння Монода), також розробили в 1950 році модель безперервної культури мікроскопічних організмів, яку вони назвали хемостатом, і це ім'я було збережено донині. . Але всі троє приписують винахід.

Програми

Адаптивна біологія та еволюція

Інструменти, пропоновані цією системою безперервної культури мікроорганізмів, використовуються екологами та еволюціоністами для вивчення того, як швидкість росту впливає на клітинні процеси та метаболізм, і як він контролює селекційний тиск та експресію генів.

Це стає можливим завдяки оцінці та підтримці десятків до сотень поколінь у хіміостаті в контрольованих умовах.

Два хіміостати, використані при аналізі токсичності амонію в дріжджах. Знято та відредаговано з: (Зображення: Maitreya Dunham).

Клітинна біологія

Практично всі дослідження, пов’язані з хіміостатом, пов'язані з клітинною біологією, навіть молекулярною, еволюційною тощо.

Однак, конкретно, використання хіміостату для цієї галузі біології надає цінну інформацію, яка дозволяє розробити математичні моделі, необхідні для розуміння обмінних процесів у досліджуваній популяції.

Молекулярна біологія

В останні 10 і більше років зростає інтерес до використання хемостату в молекулярному аналізі мікробних генів. Метод культивування полегшує отримання інформації для всебічного або системного аналізу культур мікроорганізмів.

Хемостатичні дослідження в цій галузі дозволяють аналізувати транскрипцію ДНК у всьому геномі, а також кількісно оцінювати експресію генів або виявляти мутації у конкретних генах організмів, таких як дріжджі Saccharomyces cerevisiae, наприклад.

Збагачені культури

Ці дослідження проводилися з використанням розривних систем з кінця 19 століття з творами Бейєрінка та Виноградського, тоді як у 60-х роках минулого століття їх почали проводити в суцільних культурах за допомогою хіміостату.

Ці дослідження полягають у збагаченні культурних середовищ для збирання різних типів мікробів (бактерій загалом), вони також використовуються для визначення відсутності певних видів або для виявлення присутності деяких, частка яких дуже низька або майже неможливо спостерігати в середовищі. природні.

Збагачені культури у відкритих безперервних системах (хіміостати) також використовуються для вироблення мутантних бактеріальних культур, переважно ауксотрофів або тих, які можуть стати стійкими до лікарських препаратів, таких як антибіотики.

Виробництво етанолу

З промислової точки зору все частіше зустрічається використання та виробництво біопалива. У цьому випадку це виробництво етанолу з грамнегативної бактерії Zymomonas mobilis.

У процесі використання декількох великих серійних хіміостатів, які підтримуються в постійних концентраціях глюкози та інших цукрів, для перетворення в етанол в анаеробних умовах.

Список літератури

1. Хіміостат: ідеальний реактор безперервного перемішування в резервуарі. Відновлено: biorreactores.tripod.
2. Хіміостат. Відновлено з: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt та D. Gresham (2013). Використання хіміостатів у біології мікробних систем. Журнал візуалізованих експериментів.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Опис хіміостату. Наука.
5. Дж. Монод (1949). Зростання бактеріальних культур Щорічний огляд мікробіології.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Функціональна основа адаптаційної еволюції в хіміостатах. Огляди мікробіології FEMS.
7. Х. Г. Шлегель і Х. В. Яннаш (1967). Культури збагачення. Щорічний огляд мікробіології.
8. Дж. Тієрі (2016). Вступ до теорії багатофазних дисперсних систем. (ред.) Springer Nature. 210 pp.